CN203561686U - 静电电压检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种静电电压检测装置，其特征在于包括：扁平导体，其与周围环境绝缘地设置，用于直接或间接地电连接到待测导体，以具有与待测导体相等的电势；电场检测部件，其与所述扁平导体间隔开地设置在所述扁平导体的另一侧，用于检测所述扁平导体在所述电势下产生的电场；以及处理部件，连接到所述电场检测部件，用于根据所述扁平导体产生的电场来计算所述扁平导体的电压，作为待测导体的静电电压。

Description

静电电压检测装置

技术领域

本实用新型总体上涉及静电电压监控领域，更具体而言，本实用新型涉及一种静电电压检测装置。

背景技术

在传统防静电行业中，通常使用手腕带监控仪来监控人员佩戴的防静电手腕带的电阻值。通过监控防静电手腕带的电阻值来间接监控人员的人体静电电压。但是，已有研究发现，人体的接地电阻和人体的静电电压之间不存在绝对的线性关系。人体的接地电阻值低并不代表人体的静电电压一定低。因此，监控到的电阻值满足要求并不能保证人体的静电电压一定满足要求。

在很多行业如半导体、硬盘、液晶显示器（Liquid Crystal Display,LCD）、通信等行业中，随着半导体器件体积越来越小，引脚越来越多，器件对静电电压也越来越敏感。例如，光通信行业已经出现人体模型（Human Body Model,HBM）静电敏感电压50V的零件。传统的手腕带电阻监控仪已不能满足业内的需求。而应用于硬盘行业的带有人体电压监控功能的仪器，由于是通过检测与电源供电电压的比较电压来检测人体电压，受限于电源供电电压的范围，因此只能监控较低范围的静电电压。

实用新型内容

鉴于现有技术的上述情况，本实用新型的目的之一是提供一种静电电压检测装置，以直接检测待测导体的静电电压并提供较大的静电电压检测范围。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种静电电压检测装置，其特征在于包括：扁平导体，其与周围环境绝缘地设置，用于直接或间接地电连接到待测导体，以具有与待测导体相等的电势；电场检测部件，其与扁平导体间隔开地设置在扁平导体的另一侧，用于检测扁平导体在所述电势下产生的电场；以及处理部件，连接到电场检测部件，用于根据扁平导体产生的电场来计算扁平导体的电压，作为待测导体的静电电压。

根据本实用新型的另一方面，所述静电电压检测装置还包括：导线，其一端用于连接到待测导体，另一端连接到扁平导体，用于使扁平导体具有与待测导体相等的电势。

根据本实用新型的另一方面，所述静电电压检测装置还包括：绝缘支撑部件，用于将扁平导体绝缘地支撑在静电电压检测装置中。

根据本实用新型的另一方面，电场检测部件输出指示扁平导体产生的电场的模拟信号；以及静电电压检测装置还包括模数转换部件，用于将所述模拟信号转换为数字信号，并将所述数字信号输入到处理部件。

根据本实用新型的另一方面，所述静电电压检测装置还包括：显示器，其连接到处理部件，用于显示待测导体的静电电压。

根据本实用新型的另一方面，所述静电电压检测装置还包括：报警部件，其连接到处理部件，并且在处理部件判定待测导体的静电电压超过预定阈值时发出报警。

根据本实用新型的另一方面，所述导线是屏蔽导线。

根据本实用新型的另一方面，所述扁平导体是金属片。

根据本实用新型的另一方面，扁平导体的朝向电场检测部件的表面的面积大于4平方厘米。

根据本实用新型的另一方面，扁平导体的朝向电场检测部件的表面的面积大于10平方厘米。

根据本实用新型的另一方面，扁平导体的厚度在0.5-10毫米之间。

根据本实用新型的另一方面，电场检测部件与扁平导体之间的距离在2.5厘米至20厘米之间。

根据本实用新型的另一方面，电场检测部件的电场检测范围是0.39伏特/厘米至7874伏特/厘米。

根据本实用新型的另一方面，电场检测部件与扁平导体之间的距离等于所述电场检测部件的检测距离。

根据本实用新型的另一方面，处理部件根据以下公式来计算扁平导体的电压，作为待测导体的静电电压：V=(E×S×ε₀)/C，其中，E表示所述扁平导体处的电场，S表示所述扁平导体的朝向电场检测部件一侧的表面的面积，C表示所述扁平导体的电容，ε₀是真空介电常数。

根据本实用新型的另一方面，处理部件进一步根据以下公式来计算扁平导体的电压，作为待测导体的静电电压：V=(E₀×L×S×ε0)/C，其中，E₀表示所述电场检测部件检测到的电场，L表示所述扁平导体与所述电场检测部件之间的距离与所述电场检测部件的检测距离的比值，S表示扁平导体的朝向电场检测部件一侧的表面的面积，C表示扁平导体的电容，ε0是真空介电常数。

根据本实用新型的各个方面的静电电压检测装置使扁平导体具有与待测导体相等的电势，检测扁平导体在该电势下产生的电场，并根据所述电场来计算扁平导体的电压，作为待测导体的静电电压。所述静电电压检测装置利用与电压成比例的电场来计算静电电压，因此能够实现对静电电压的直接检测，检测的准确度高。此外，静电电压的计算不受电源供应电压的限制，能够提供较大的电压检测范围。

附图说明

本实用新型可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本实用新型的优选实施例和解释本实用新型的原理和优点。在附图中：

图1示出根据本实用新型的第一实施方式的静电电压检测装置的示意性框图；

图2示出根据本实用新型的第二实施方式的静电电压检测装置的示意性框图；

图3A至图3C示出根据本实用新型的第三实施方式的静电电压检测装置的示意性框图；

图4示出根据本实用新型的第四实施方式的静电电压检测装置的示意性框图；

图5示出根据本实用新型的第五实施方式的静电电压检测装置的示意性框图；

图6示出根据本实用新型的第六实施方式的静电电压检测装置的示意性框图；以及

图7示出根据本实用新型的实施方式的静电电压检测装置的应用示例的示意图。

具体实施方式

下面结合图1-6来详细描述根据本实用新型的实施方式的静电电压检测装置的结构和工作原理。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本实用新型无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

图1示出根据本实用新型的第一实施方式的静电电压检测装置的示意性框图。如图所示，静电电压检测装置100包括扁平导体110、电场检测部件120和处理部件130。扁平导体110与周围环境绝缘地设置，用于直接或间接地电连接到待测导体（未示出），以具有与待测导体相等的电势。扁平导体110具有至少一个平整表面。扁平导体110的形状可以根据实际需要设计，例如可以是扁平的圆柱体、长方体等，而没有限制。待测导体是可能带有静电的导体，如人体、电子元器件、金属设备等。扁平导体110可以直接与待测导体连接或接触，或者通过其他导体电连接到待测导体。由于扁平导体110具有平整表面，因此能够获得比较均匀的电场，使随后的电场检测更加方便准确。电场检测部件120与扁平导体110间隔开地设置在扁平导体110的一侧，用于检测扁平导体110在该电势下产生的电场。处理部件130连接到电场检测部件120，用于根据电场检测部件120测得的扁平导体110的电场来计算扁平导体110的电压，作为待测导体的静电电压。

下面说明静电电压检测装置100的工作原理。

一个物体表面有静电电压时，会在空间中产生电场。通过检测电场值，可以计算出物体表面的静电电压值。根据电场的高斯定律：

E=σ/ε₀，    （公式一）

其中，E表示物体处的电场强度，即物体表面外附近的电场强度，σ表示物体表面的电荷密度，ε₀是真空介电常数，等于8.85pF/m。

在以上公式中，电荷密度σ=Q/S，Q表示物体表面的电荷数，S表示物体表面面积，一般指物体一侧表面的面积。由此，可以进一步计算出：

E=Q/(S×ε₀)。    （公式二）

根据电容的定义式C=Q/V可以得到物体表面的电荷数Q=CV，其中C是物体的电容，V是物体的电压。由此，可以得出电场强度E和电压V之间的对应关系：

V=(E×S×ε₀)/C。    （公式三）

基于上述原理，在静电电压检测装置100中，当扁平导体110有电压时，会在空间中产生电场。通过检测扁平导体110产生的电场强度，可以计算出扁平导体110上的电压（也是静电电压）。由于扁平导体110具有与待测导体相等的电势，因此所计算出的扁平导体110的电压可以被视为待测导体的静电电压。具体而言，当扁平导体110的尺寸确定时，它的表面积S（朝向电场检测部件一侧的表面的面积）和电容C也可以确定。这样，扁平导体110上的电压V就和电场强度E形成比例关系。通过电场检测部件120检测的空间中固定位置的电场强度，处理部件130就可以计算出扁平导体110上的电压V。也就是说，处理部件130可以根据公式三，利用扁平导体110处的电场、扁平导体110的朝向电场检测部件120一侧的表面的面积、扁平导体110的电容来计算扁平导体110的电压，作为待测导体的电压。

应当理解，通过以上公式一和公式二计算出的电场强度是物体表面外附近的电场强度，即紧贴物体表面的电场强度。当电场检测部件120紧邻扁平导体110或者说扁平导体110与电场检测部件120之间的距离与电场检测部件120的检测距离相等时，可以认为电场检测部件120检测到的电场强度就是扁平导体110处的电场强度。电场检测部件120的检测距离表示电场检测部件120检测到的电场强度是在距离电场检测部件120为该检测距离处的电场强度。

随着电场检测部件120与扁平导体110的距离增大或减小，电场检测部件120所检测到的电场强度将成比例地减小或增大。相应地，在根据扁平导体110产生的电场来计算扁平导体110的电压时，以上公式三可以变型为：

V=(E₀×L×S×ε₀)/C，    （公式四）

其中，E₀表示电场检测部件120检测到的电场，L表示电场检测部件120与扁平导体110之间的距离与电场检测部件120的检测距离的比值。电场检测部件120的检测距离是电场检测部件120出厂时已知的，作为示例而不是限制，例如可以是1英寸（2.54厘米）。

扁平导体110与电场检测部件120之间的距离可以根据实际需求例如静电电压检测装置100的尺寸要求来确定，而没有限制。根据以上公式四可知，在电场检测部件120所能检测的电场强度范围确定的情况下，电场检测部件120距离扁平导体110越远，根据所检测到的电场所能计算出的电压越大，即静电电压检测装置100的电压检测范围越大。作为示例而不是限制，例如可以将电场检测部件120与扁平导体110的距离设置为2.5厘米至20厘米之间，从而提供尺寸和电压检测范围较为折衷的静电电压检测装置100。

在一个实施例中，可以将电场检测部件120与扁平导体110的距离设置为等于电场检测部件120的检测距离。这样，扁平导体110与电场检测部件120之间的距离与电场检测部件120的检测距离的比值为1，因此在应用公式四时，公式四在形式上可以简化为：

V=(E₀×S×ε₀)/C，    （公式五）

其中各项参数的含义与它们在公式四中的含义相同。

扁平导体110可以由各种类型的导电材料组成。作为示例而不是限制，扁平导体110可以是金属片，例如铜片、不锈钢片等，从而提供稳定的电容值。不锈钢片电容值稳定，且不容易生锈，适合长期在静电电压检测装置中使用。

扁平导体110的表面积可以根据实际需要来设定。作为示例而不是限制，可以将扁平导体110的朝向电场检测部件120的表面的面积设置为大于4平方厘米，并且优选地大于10平方厘米。

扁平导体110的厚度也可以根据实际需要来设定。作为示例而不是限制，可以将扁平导体110的厚度设置在0.5-10毫米之间。

电场检测部件120可以是各种已有的和将要开发的电场检测器件，例如电场强度探头等。由公式三和公式四可知，电场检测部件120所能检测到的电场范围越大，静电电压检测装置100所能检测到的电压范围就越大。市售的电场强度检测装置已经可以提供1V/in（伏特每英寸）（约为0.39V/cm（伏特每厘米））到20000V/in（约为7874V/cm）的电场强度检测范围。相应地，静电电压检测装置100的检测范围可近似地达到1V到20000V级别。在本实用新型的一个实施例中，可以使用3M公司的电场强度测试仪718来实施电场检测部件120，其测试范围从1V/in到20000V/in（约为0.39V/cm至7874V/cm），其测量精度可达到±5%。

处理部件130可以是由硬件或固件实现的具有处理能力的各种适当的处理器件，如微处理器等。处理部件130也可以是由计算机软件实现的部件。

图2示出根据本实用新型的第二实施方式的静电电压检测装置的示意性框图。当待测导体上的静电电压例如人体上的静电电压变化快时，如果将扁平导体110直接与待测导体接触，则扁平导体110上分布的电荷变化快，相应地，扁平导体110产生的电场变化也快。在这种情况下，要求电场检测部件120有较高的电场响应速度，以保证检测到的电场的准确度。为了减小待测导体上的电压的快速变化所带来的影响，以较低成本实现较准确的测量，在本实用新型的第二实施方式中，采用导线来将扁平导体110电连接到待测导体。

如图2所示，在静电电压检测装置200中，除了包括扁平导体110、电场检测部件120和处理部件130之外，还包括导线140。导线140的一端用于连接到待测导体（未示出），另一端连接到扁平导体110，用于使扁平导体110具有与待测导体相等的电势。通过导线140的连接，能够减小待测导体上的静电电压的快速变化对扁平导体110上的电荷的影响，使得扁平导体110上产生的电场较为稳定，从而保证电场检测的准确度。

为避免所传导的电荷或电流通过外壳流失，导线140的用于连接到待测导体的一端可以例如经由静电电压检测装置200的外壳上的绝缘孔而穿过静电电压检测装置200的外壳，或者通过使静电电压检测装置200采用绝缘的外壳来让导线140直接穿过绝缘的外壳，或者也可以通过已有的其他方式穿过静电电压检测装置200的外壳，这里不一一列举。

导线140可以由各种导电材料制成的各种适当类型的导线，例如是金属导线。在一个实施例中，采用屏蔽导线作为导线140，以抵抗外界干扰。

图3A-3C示出根据本实用新型的第三实施方式的静电电压检测装置的示意性框图。在本实用新型的实施方式中，扁平导体110与周围环境绝缘地设置，以避免扁平导体110上的电荷通过其他部件被释放掉。扁平导体110可以通过各种绝缘手段与周围环境绝缘地设置。作为绝缘配置方式的示例，在图3A-3C中，静电电压检测装置300可以包括绝缘支撑部件150。注意，图3A中示出的绝缘支撑部件150的形状和数目仅作为示例而不是限制。绝缘支撑部件150由绝缘材料制成，用于将扁平导体110绝缘地支撑在静电电压检测装置300中。例如，在图3A的示例中，绝缘支撑部件150（以斜线填充）将扁平导体110绝缘地支撑在电场检测部件120上。在图3B的示例中，绝缘支撑部件150（以斜线填充）将扁平导体110绝缘地支撑在处理部件130上。在图3C的示例中，绝缘支撑部件150（以斜线填充）将扁平导体110绝缘地支撑在静电电压检测装置300的外壳上。可以理解，绝缘支撑部件150也可以将扁平导体110绝缘地支撑在电场检测部件120、处理部件130以及静电电压检测装置的外壳中的多个上，或者将扁平导体110绝缘地支撑在静电电压检测装置300的其他未示出的或以下提及的一个或多个部件上，这里不再一一描述。

图4示出根据本实用新型的第四实施方式的静电电压检测装置的示意性框图。电场检测部件120检测到的电场强度可以以模拟信号或数字信号的形式输出。当以数字信号输出时，表示电场强度的信号可以直接输出到处理部件130中。当以模拟信号输出时，静电电压检测装置中还可以设置有模数转换部件，用于将表示电场强度的信号由模拟信号转换为数字信号，然后输出到处理部件130。在图4所示的第四实施方式中，电场检测部件120输出指示扁平导体110产生的电场的模拟信号，并且静电电压检测装置400包括连接在电场检测部件120和处理部件130之间的模数转换部件160，用于将该模拟信号转换为数字信号，并将该数字信号输入到处理部件130。

应当理解，在本实用新型的其他实施方式中，电场检测部件120或者处理部件130可以具有模数转换部件160的功能，而不必单独设置模数转换部件160。

图5示出根据本实用新型的第五实施方式的静电电压检测装置的示意性框图。为了将待测导体的静电电压直观地通知给用户，在本实用新型的第五实施方式中，利用显示器来显示待测导体的静电电压。如图5所示，在静电电压检测装置500中，除了包括扁平导体110、电场检测部件120和处理部件130之外，还包括显示器170。显示器170连接到处理部件130，用于显示待测导体的静电电压，从而使用户能够直观地了解所测得的待测导体的静电电压。作为示例而不是限制，显示器170可以例如是阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）等。

图6示出根据本实用新型的第六实施方式的静电电压检测装置的示意性框图。为了让用户能够及时地了解待测导体的静电电压出现异常的情况，在本实用新型的第六实施方式中，利用报警部件来在待测导体的静电电压出现异常时发出报警。如图6所示，在静电电压检测装置600中，除了包括扁平导体110、电场检测部件120和处理部件130之外，还包括报警部件180。报警部件180连接到处理部件130，并且在处理部件130判定待测导体的静电电压超过预定阈值时发出报警。应当理解，根据实际应用需求，报警部件180在待测导体的静电电压超过预定阈值时发出报警，可以指报警部件180在待测导体的静电电压高于或低于预定阈值时发出报警。例如，在监测人体的静电电压的情况下，报警部件180可以在人体的静电电压高于预定阈值（例如相关器件的静电敏感电压）时发出报警。

报警部件180可以采用各种形式来发出报警，例如声、光、电等形式。作为示例而不是限制，报警部件180可以是蜂鸣器。报警部件180也可以采用LED灯等来实施。

在根据本实用新型的以上各个实施方式中，处理部件130可以实时地计算扁平导体110的电压，从而使静电电压检测装置100能够实时监控待测导体的静电电压。此外，在第五实施方式中，处理部件130还可以实时地判定待测导体的静电电压是否超过预定阈值，由此，在待测导体的静电电压超过预定阈值时，报警部件180可以及时地发出报警，以使用户能够及时采取措施来避免电压异常带来的损失。

根据本实用新型的以上各个实施方式的静电电压检测装置100-500可以用于检测各种待测导体的静电电压，例如人体的静电电压。

在本实用新型的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。例如，在本实用新型的一个附图或一种实施方式中描述的导线140、绝缘支撑部件150、模数转换部件160、显示器170或报警部件180也可以单独地或组合地与其他附图或实施方式中的静电电压检测装置中的各个部件相结合，这里不一一描述。

根据本实用新型的静电电压检测装置的优点在于，通过检测与静电电压成比例的电场来计算静电电压，从而使得到的电压值相对准确。

根据本实用新型的静电电压检测装置的另一优点在于，静电电压的计算不受电源供应电压的限制，能够提供较大的电压检测范围。

图7示出根据本实用新型的实施方式的静电电压检测装置的应用示例的示意图。如图7所示，带静电的人通过导线740连接到根据本实用新型的实施方式的静电电压检测装置700。静电电压检测装置700可以例如由图2所示的静电电压检测装置200或其变型来实施。导线740可以例如与图2所示的导线140相同。通过导线740使静电电压检测装置700中的扁平导体（未示出）与人体等电势，检测扁平导体的电场并根据电场计算扁平导体的电压，作为人体的静电电压。另外，当静电电压检测装置700设置有根据本实用新型的实施方式的报警部件时，可以实时地对人体的静电电压超过预定阈值的情况进行报警。由此，可以利用静电电压检测装置700来直接监控人体的静电电压，并与相关零部件的静电敏感电压对应起来，更有效的控制人体静电对零部件的损伤。

以上虽然结合附图详细描述了本实用新型的实施方式，但是应当明白，上面所描述的实施方式只是用于说明实用新型，而并不构成对本实用新型的限制。对于本领域的技术人员来说，可以对上述实施方式做出各种修改和变更而没有背离本实用新型的实质和范围。因此，本实用新型的范围仅由所附的权利要求及其等效含义来限定。

Claims (16)

1.一种静电电压检测装置，其特征在于包括：

扁平导体，其与周围环境绝缘地设置，用于直接或间接地电连接到待测导体，以具有与待测导体相等的电势；

电场检测部件，其与所述扁平导体间隔开地设置在所述扁平导体的一侧，用于检测所述扁平导体在所述电势下产生的电场；以及

处理部件，连接到所述电场检测部件，用于根据所述扁平导体产生的电场来计算所述扁平导体的电压，作为待测导体的静电电压。

2.根据权利要求1的静电电压检测装置，其特征在于还包括：

导线，其一端用于连接到待测导体，另一端连接到所述扁平导体，用于使所述扁平导体具有与待测导体相等的电势。

3.根据权利要求1的静电电压检测装置，其特征在于还包括：

绝缘支撑部件，用于将所述扁平导体绝缘地支撑在所述静电电压检测装置中。

4.根据权利要求1的静电电压检测装置，其特征在于：

所述电场检测部件输出指示所述扁平导体产生的电场的模拟信号；以及

所述静电电压检测装置还包括模数转换部件，用于将所述模拟信号转换为数字信号，并将所述数字信号输入到所述处理部件。

5.根据权利要求1的静电电压检测装置，其特征在于还包括：

显示器，其连接到所述处理部件，用于显示待测导体的静电电压。

6.根据权利要求1的静电电压检测装置，其特征在于还包括：

报警部件，其连接到所述处理部件，并且在所述处理部件判定待测导体的静电电压超过预定阈值时发出报警。

7.根据权利要求2的静电电压检测装置，其特征在于，所述导线是屏蔽导线。

8.根据权利要求1的静电电压检测装置，其特征在于，所述扁平导体是金属片。

9.根据权利要求1的静电电压检测装置，其特征在于，所述扁平导体的朝向所述电场检测部件的表面的面积大于4平方厘米。

10.根据权利要求1的静电电压检测装置，其特征在于，所述扁平导体的朝向所述电场检测部件的表面的面积大于10平方厘米。

11.根据权利要求1的静电电压检测装置，其特征在于，所述扁平导体的厚度在0.5-10毫米之间。

12.根据权利要求1的静电电压检测装置，其特征在于，所述电场检测部件与所述扁平导体之间的距离在2.5厘米至20厘米之间。

13.根据权利要求1的静电电压检测装置，其特征在于，所述电场检测部件的电场检测范围是0.39伏特/厘米至7874伏特/厘米。

14.根据权利要求1的静电电压检测装置，其特征在于，所述电场检测部件与所述扁平导体之间的距离等于所述电场检测部件的检测距离。

15.根据权利要求1的静电电压检测装置，其特征在于，所述处理部件根据以下公式来计算所述扁平导体的电压，作为待测导体的静电电压：

V=(E×S×ε₀)/C，

其中，E表示所述扁平导体处的电场，S表示所述扁平导体的朝向电场检测部件一侧的表面的面积，C表示所述扁平导体的电容，ε₀是真空介电常数。

16.根据权利要求15的静电电压检测装置，其特征在于，所述处理部件进一步根据以下公式来计算所述扁平导体的电压，作为待测导体的静电电压：

V=(E₀×L×S×ε₀)/C，

其中，E₀表示所述电场检测部件检测到的电场，L表示所述扁平导体与所述电场检测部件之间的距离与所述电场检测部件的检测距离的比值，S表示所述扁平导体的朝向电场检测部件一侧的表面的面积，C表示所述扁平导体的电容，ε₀是真空介电常数。

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